JP3269510B2 - Semiconductor element - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ダイヤモンドを
含む半導体素子であって、ゲート電極に加えた電圧によ
り、ドレイン電極とソース電極との間の素子内部に形成
されるチャネルへの電界を変化させて、該チャネルに流
れる電流が制御される半導体素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor diamond, wherein a voltage applied to a gate electrode changes an electric field to a channel formed inside the device between a drain electrode and a source electrode. Further, the present invention relates to a semiconductor element in which a current flowing through the channel is controlled.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドに関しては、高温下、放射
線照射下等の厳しい環境下で安定に動作するデバイスと
して、あるいは高出力での動作にも耐え得るデバイスと
しての応用が注目されている。2. Description of the Related Art With respect to diamond, attention has been focused on its application as a device that operates stably under severe environments such as high temperature and radiation irradiation, or a device that can withstand high-power operation.
【０００３】ダイヤモンドが高温下でも動作可能な理由
としては、バンドギャップが５．５ｅＶと大きいことが
挙げられている。このことは、半導体のキャリアが制御
されなくなる温度範囲（真性領域）が１４００℃以下に
は存在しないことを示しているためである。[0003] One of the reasons that diamond can operate even at high temperatures is that the band gap is as large as 5.5 eV. This is because the temperature range (intrinsic region) in which the carrier of the semiconductor is not controlled does not exist at 1400 ° C. or lower.
【０００４】しかしながら、ダイヤモンドを材料とした
場合、イオン注入を用いたセルフアライン（self-align
ed）のデバイス形成が必ずしも容易ではなかった。[0004] However, when diamond is used as a material, self-alignment (self-alignment) using ion implantation is performed.
The device formation of ed) was not always easy.
【０００５】一方、ダイヤモンド半導体素子における安
定した高温での動作は、これまでダイヤモンドのノンド
ープ層をゲート電極の下に形成したＦＥＴ（電界効果ト
ランジスタ）によって実現されてきた（例えば、特願昭
６２−３０１６８４号（特開平１−１４３３２３号）を
参照）。On the other hand, stable operation at a high temperature in a diamond semiconductor element has been realized by an FET (field effect transistor) in which a non-doped layer of diamond is formed below a gate electrode (see, for example, Japanese Patent Application No. Sho 62-62). No. 301684 (see JP-A-1-143323).
【０００６】しかしながら、ボロンドープ・ダイヤモン
ド層上にノンドープ・ダイヤモンド層を形成する際に
は、以下のような点を考慮する必要があった。However, when forming a non-doped diamond layer on a boron-doped diamond layer, it is necessary to consider the following points.
【０００７】(1) 同一反応室を用いた場合、動作層たる
ボロンドープ層上に急峻な（動作層と組成が明確に異な
る）ノンドープ層を形成することは容易ではなく、結果
的にゲート電極下のノンドープ層が厚くなる傾向にあっ
たため、良好なトランジスタ特性を得ることは容易では
なかった。(1) When the same reaction chamber is used, it is not easy to form a steep non-doped layer (having a composition clearly different from that of the active layer) on the boron-doped layer as the active layer. It was not easy to obtain good transistor characteristics because the non-doped layer tended to be thick.
【０００８】(2) 一方、急峻なノンドープ層を形成する
ために反応室を変えた場合には、ボロンドープ層とノン
ドープ層との間にトラップ準位が形成され易かった。(2) On the other hand, when the reaction chamber is changed to form a steep non-doped layer, trap levels are easily formed between the boron-doped layer and the non-doped layer.
【０００９】(3) 上記ノンドープ層は高純度で、薄く且
つ均一であることが好ましいが、ダイヤモンドの成長は
ステップ成長でないため、堆積膜は島状に形成され易
く、したがって薄く且つ均一な膜を形成することは必ず
しも容易ではなかった。上記のように島状に堆積したノ
ンドープ層のみをボロンドープ層とゲート電極との間に
形成した場合、ゲート電極からのリーク電流が増大する
傾向があった。(3) The non-doped layer is preferably of high purity, thin and uniform. However, since diamond growth is not step growth, the deposited film is likely to be formed in an island shape. It was not always easy to form. When only the non-doped layer deposited in an island shape as described above is formed between the boron-doped layer and the gate electrode, the leak current from the gate electrode tends to increase.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＭＩ
ＳＦＥＴ（金属絶縁膜ゲート電界効果トランジスタ）に
類似した構造を有し、且つ従来のダイヤモンド・ノンド
ープ層に対応する層を改善した半導体素子を提供するこ
とにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a structure similar to an SFET (metal-insulating-film gate field-effect transistor) and having an improved layer corresponding to a conventional diamond non-doped layer.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意研究の結
果、ｐ型ダイヤモンドを主成分とする動作層とゲート電
極との間に、（従来のノンドープ・ダイヤモンドのみか
らなる層に代えて）少なくともｎ型又はｐ型ドーパント
をドープしたダイヤモンドを含む介在領域を設けること
が、上記目的の達成に極めて効果的であることを見出し
た。As a result of intensive studies, the inventor of the present invention has found that, between the active layer mainly composed of p-type diamond and the gate electrode, (instead of the conventional layer consisting only of non-doped diamond) It has been found that providing an intervening region containing diamond doped with at least an n-type or p-type dopant is extremely effective in achieving the above object.
【００１２】本発明の半導体素子は上記知見に基づくも
のであり、より詳しくは、基板上にソース電極とドレイ
ン電極とを有し、これらの電極の間のチャネル領域がｐ
型ダイヤモンドを主成分とし、且つ、該チャネル領域と
ゲート電極との間に、少なくとも所定量のｎ型ドーパン
ト又はｎ型ドーパントがドーピングされたダイヤモンド
からなる介在領域が設けられていることを特徴とするも
のである。The semiconductor device of the present invention is based on the above findings. More specifically, the semiconductor device has a source electrode and a drain electrode on a substrate, and a channel region between these electrodes is p-type.
And an intervening region composed of diamond doped with at least a predetermined amount of an n-type dopant or an n-type dopant is provided between the channel region and the gate electrode. Things.
【００１３】本発明によれば、更に、基板上にソース電
極とドレイン電極とを有し、これらの電極の間のチャネ
ル領域がｐ型ダイヤモンドを主成分とし、且つ、該チャ
ネル領域とゲート電極との間に、少なくともｎ型ドーパ
ントがドーピングされたダイヤモンドからなる介在領域
が設けられていることを特徴とする半導体素子が提供さ
れる。According to the present invention, further, a source electrode and a drain electrode are provided on a substrate, a channel region between these electrodes is mainly composed of p-type diamond, and the channel region and the gate electrode are connected to each other. A semiconductor element provided with an intervening region made of diamond doped with at least an n-type dopant.
【００１４】本発明によれば、更に、基板上にソース電
極とドレイン電極とを有し、これらの電極の間のチャネ
ル領域がｐ型ダイヤモンドを主成分とし、且つ、該チャ
ネル領域とゲート電極との間に、ゲート電極側から、絶
縁性の層と、ｎ型ドーパントを含有する層とが設けられ
ていることを特徴とする半導体素子が提供される。According to the present invention, a source electrode and a drain electrode are further provided on a substrate, a channel region between these electrodes is mainly composed of p-type diamond, and the channel region and the gate electrode are connected to each other. A semiconductor device is provided in which an insulating layer and a layer containing an n-type dopant are provided from the side of the gate electrode.
【００１５】本発明によれば、更に、基板上にソース電
極とドレイン電極とを有し、これらの電極の間のチャネ
ル領域がｐ型ダイヤモンドを主成分とし、且つ、該チャ
ネル領域とゲート電極との間に、ｐ型ダイヤモンドへの
イオン注入により形成された絶縁性の領域が設けられて
いることを特徴とする半導体素子が提供される。According to the present invention, further, a source electrode and a drain electrode are provided on a substrate, a channel region between these electrodes is mainly composed of p-type diamond, and the channel region and the gate electrode are connected to each other. A semiconductor element provided with an insulating region formed by ion implantation into p-type diamond.
【００１６】[0016]
【作用】本発明の半導体素子では、ゲート電極に加えた
電圧により、ドレイン電極とソース電極との間の素子内
部に形成されるチャネルへの電界が変化し、チャネルに
流れる電流の制御が行われる。本発明の半導体素子にお
いては、チャネルが形成される層（動作層）はｐ型ダイ
ヤモンドを主成分とするが、この動作層とゲート電極と
の間に設けられる介在領域は、少なくともｎ型又はｐ型
ドーパントをドープしたダイヤモンドを含む領域であ
る。In the semiconductor device of the present invention, the voltage applied to the gate electrode changes the electric field to the channel formed inside the device between the drain electrode and the source electrode, thereby controlling the current flowing through the channel. . In the semiconductor device of the present invention, the layer in which the channel is formed (the operation layer) is mainly composed of p-type diamond, and the intervening region provided between the operation layer and the gate electrode is at least n-type or p-type. This is a region containing diamond doped with a type dopant.
【００１７】この介在領域は、上記動作層を構成するｐ
型ダイヤモンドを真性化することにより得てもよい。こ
の真性化は、例えば、該ｐ型ダイヤモンド中のｐ型ドー
パントをｎ型ドーパント（窒素、リン等）により補償す
ることによって、あるいは該ｐ型ダイヤモンドにIV族元
素（炭素、ケイ素等）を導入することによって行うこと
が可能である。This intervening region is formed by p
It may be obtained by making the shaped diamond intrinsic. This intrinsicity is achieved, for example, by compensating the p-type dopant in the p-type diamond with an n-type dopant (nitrogen, phosphorus, etc.) or introducing a group IV element (carbon, silicon, etc.) into the p-type diamond. This can be done by:
【００１８】本発明における介在領域は、少なくともｎ
型又はｐ型ドーパントを含むダイヤモンドからなるた
め、ノンドープ・ダイヤモンド層のみからなる従来の介
在層に比べ、本発明においては上記介在領域形成の自由
度が拡大する（すなわち、半導体素子の構成ないし特性
に適合するように、介在領域の形成方法を適切に選択す
ることが可能となる）。したがって、本発明において
は、良好なトランジスタ特性に適した薄く且つ均一な介
在領域を、例えばイオン注入等の方法により容易に形成
できる。In the present invention, the intervening region is at least n
In the present invention, the degree of freedom of the formation of the intervening region is increased as compared with a conventional intervening layer consisting only of a non-doped diamond layer (that is, the structure or characteristics of a semiconductor element). The method of forming the intervening region can be appropriately selected so as to be compatible). Therefore, in the present invention, a thin and uniform intervening region suitable for good transistor characteristics can be easily formed by, for example, a method such as ion implantation.
【００１９】本発明者の知見によれば、上記介在領域
が、ｎ型ドーパント（窒素等）がドーピングされたダイ
ヤモンドからなる本発明の態様においては、ｎ型ドーパ
ント濃度が１０15ｃｍ-3以上１０19ｃｍ-3未満の場合、
介在領域は室温で絶縁物であるが、高温（例えば５００
℃以上）ではｎ型半導体となる。したがって、このよう
な介在領域を含む半導体素子は、室温ではＭＩＳＦＥＴ
として機能し、高温ではＪＦＥＴ（接合型ＦＥＴ）とし
て機能する。すなわち、室温および高温で良好な特性が
得られる。一方、ｎ型ドーパント濃度が１０19ｃｍ-3以
上の場合（ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントを後述
する条件でドーピングした場合も同様）、介在領域はｎ
型半導体となるので、このような介在領域を含む半導体
素子は、ＪＦＥＴとして機能する。According to the knowledge of the present inventor, in the embodiment of the present invention in which the intervening region is made of diamond doped with an n-type dopant (such as nitrogen), the n-type dopant concentration is 10 15 cm -3 or more. If less than 19 cm -3 ,
The intervening region is an insulator at room temperature, but at a high temperature (for example, 500
(° C. or higher), it becomes an n-type semiconductor. Therefore, a semiconductor device including such an intervening region can be used at room temperature in a MISFET.
At high temperatures and as a JFET (junction FET). That is, good characteristics can be obtained at room temperature and high temperature. On the other hand, when the n-type dopant concentration is 10 19 cm −3 or more (the same applies when the n-type dopant and the p-type dopant are doped under the conditions described later), the intervening region is n
The semiconductor element including such an intervening region functions as a JFET because the semiconductor element becomes a type semiconductor.
【００２０】介在領域が、ｎ型ドーパントがドーピング
されたダイヤモンドからなる本発明の態様においては、
また、該介在領域と他との接合を急峻なものとすること
ができるため、介在領域を薄くすることができ、素子の
駆動電圧を小さくすることが可能となる。In an embodiment of the present invention, wherein the intervening region is made of diamond doped with an n-type dopant,
In addition, since the junction between the intervening region and another can be made steep, the intervening region can be thinned, and the driving voltage of the element can be reduced.
【００２１】介在領域がイオン注入により形成される本
発明の態様においては、該介在領域を薄く且つ均一に形
成できるため、ゲート電極からのリーク電流を抑制しつ
つ良好なトランジスタ特性を容易に得ることができる。In the aspect of the present invention in which the intervening region is formed by ion implantation, the intervening region can be formed thinly and uniformly, so that good transistor characteristics can be easily obtained while suppressing leakage current from the gate electrode. Can be.
【００２２】更に、本発明の半導体素子においては、ゲ
ート電極と動作層との間に設けられる上記介在領域（少
なくともｎ型又はｐ型ドーパントがドーピングされた領
域）を、イオン注入等の方法により高温ないし高出力に
適するように形成することが可能であるため、このよう
な厳しい条件下でも、ＦＥＴとしての良好なソース・ド
レイン特性（トランジスタ特性）を容易に得ることがで
きる。Further, in the semiconductor device of the present invention, the intervening region (at least a region doped with an n-type or p-type dopant) provided between the gate electrode and the operating layer is heated to a high temperature by a method such as ion implantation. In addition, since it can be formed so as to be suitable for high output, favorable source-drain characteristics (transistor characteristics) as an FET can be easily obtained even under such severe conditions.
【００２３】また、本発明の半導体素子を作製するに際
しては、例えば、ｐ型ダイヤモンドを主成分とする層上
にドレイン電極及びソース電極を形成した後に、これら
の電極をマスクとして上記ｐ型ダイヤモンド層の所定の
範囲に、イオン注入等によりｎ型ドーパント又はIV族元
素をドープしたダイヤモンド領域（介在領域）を形成す
ることが可能である。したがって、上記介在領域の形成
は自己整合的（self-aligned）に行うことができ、ドレ
イン電極及びソース電極の位置に対して正確に対応する
ように、上記介在領域を形成することが容易である。In manufacturing the semiconductor device of the present invention, for example, after forming a drain electrode and a source electrode on a layer mainly composed of p-type diamond, the p-type diamond layer is formed using these electrodes as a mask. It is possible to form a diamond region (intervening region) doped with an n-type dopant or a group IV element by ion implantation or the like in the predetermined range. Therefore, the formation of the intervening region can be performed in a self-aligned manner, and it is easy to form the intervening region so as to accurately correspond to the positions of the drain electrode and the source electrode. .
【００２４】以下、本発明の好ましい実施態様について
図面を参照しつつ説明する。Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００２５】図１は、本発明の半導体素子の一態様たる
トランジスタ（ＦＥＴ）の構成例を示す模式断面図であ
る。この図１には、ｎチャネルＦＥＴの例が示されてい
る。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration example of a transistor (FET) which is one embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 1 shows an example of an n-channel FET.
【００２６】図１を参照して、このＦＥＴは、絶縁性ダ
イヤモンドの基板１０１上にｐ型半導体ダイヤモンドの
層１１０を有し、且つ、このｐ型ダイヤモンド層１１０
上にドレイン電極１２０ａと、ソース電極１２０ｂと、
ゲート電極１３０とを有している。更に、上記ＦＥＴ
は、上記ゲート電極１３０の下に、ｐ型ドーパントと、
ｎ型ドーパント（又はIV族元素）とがドープされた介在
領域１４０が設けられた構造を有している。Referring to FIG. 1, this FET has a p-type semiconductor diamond layer 110 on an insulating diamond substrate 101, and the p-type diamond layer 110
A drain electrode 120a, a source electrode 120b,
And a gate electrode 130. Further, the above FET
A p-type dopant below the gate electrode 130;
It has a structure in which an intervening region 140 doped with an n-type dopant (or a group IV element) is provided.
【００２７】上記ドレイン電極１２０ａ、及びソース電
極１２０ｂは、ｐ型ダイヤモンド層１１０とオーミック
接触している。このドレイン電極１２０ａ及びソース電
極１２０ｂを構成する材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、
Ｔｉ等の９００℃以上の融点を有する金属を用いること
が、セルフアラインのデバイス形成を容易とする点から
好ましい。The drain electrode 120a and the source electrode 120b are in ohmic contact with the p-type diamond layer 110. As a material constituting the drain electrode 120a and the source electrode 120b, W, Mo, Ta,
It is preferable to use a metal having a melting point of 900 ° C. or more, such as Ti, from the viewpoint of facilitating self-aligned device formation.
【００２８】ｐ型ダイヤモンド層１１０は、例えば、ボ
ロン等のｐ型ドーパントをドープした層として、絶縁性
ダイヤモンド基板１０１上に、エピタキシャル成長等の
薄膜形成技術により形成することが好ましい。The p-type diamond layer 110 is preferably formed as a layer doped with a p-type dopant such as boron on the insulating diamond substrate 101 by a thin film forming technique such as epitaxial growth.
【００２９】ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントがドー
プされた介在領域１４０は、例えば、窒素、リン、イオ
ウ、砒素等のｎ型ドーパントをｐ型ダイヤモンド層１１
０に導入して、該ダイヤモンド層１１０の不純物（ｐ型
ドーパント）を補償することによって；或いは、炭素イ
オン、ケイ素イオン等のIV族元素の導入等によってｐ型
ダイヤモンド層１１０を真性化することによって得た領
域であることが、薄く且つ均一な介在領域１４０の形成
が容易な点から好ましい。The intervening region 140 doped with a p-type dopant and an n-type dopant may be formed, for example, by adding an n-type dopant such as nitrogen, phosphorus, sulfur or arsenic to the p-type diamond layer 11.
0 to compensate for impurities (p-type dopants) in the diamond layer 110; or by intrinsicizing the p-type diamond layer 110 by introducing a group IV element such as carbon ion, silicon ion or the like. The obtained region is preferable because it is easy to form the thin and uniform intervening region 140.
【００３０】このようなｎ型ドーパント及び／又はIV族
元素のｐ型ダイヤモンド層１１０への導入は、イオン注
入法又はプラズマ照射により行うことが、セルフアライ
ンのデバイス形成が容易な点から好ましい。このイオン
注入等の操作の後、プラズマアニール、熱アニール等の
アニール操作を行うことは、イオン注入等に基づく欠陥
回復ないしキャリア回復の点から更に好ましい。The introduction of the n-type dopant and / or the group IV element into the p-type diamond layer 110 is preferably performed by an ion implantation method or plasma irradiation in that a self-aligned device can be easily formed. It is more preferable to perform an annealing operation such as a plasma anneal or a thermal anneal after the operation such as the ion implantation from the viewpoint of defect recovery or carrier recovery based on the ion implantation or the like.
【００３１】図１のＦＥＴは、ダイヤモンドをその半導
体材料として用いている。ダイヤモンドは、バンドギャ
ップが５．５ｅＶと大きいため、真性領域に相当する温
度領域は、ダイヤモンドが熱的に安定な１４００℃以下
には存在せず、更に、ダイヤモンドは化学的にも非常に
安定である。また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０（Ｗ
／ｃｍ・Ｋ）とＳｉの１０倍以上であり、放熱性にも優
れている。更に、ダイヤモンドは、キャリアの移動度が
大きい（電子移動度：２０００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、ホ
ール移動度：２１００（ｃｍ2 ／Ｖ・秒）、３００
Ｋ）、誘導率が小さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大き
い（Ｅ＝５×１０6 Ｖ／ｃｍ）などの特徴を有してい
る。したがって、本発明においてダイヤモンドを半導体
材料として用いることにより、周波数特性が良く、高温
での安定な動作が可能で、高周波で大電力用のデバイス
を容易に作製することができる。The FET shown in FIG. 1 uses diamond as its semiconductor material. Since diamond has a large band gap of 5.5 eV, the temperature region corresponding to the intrinsic region does not exist at 1400 ° C. or lower where diamond is thermally stable, and diamond is very chemically stable. is there. The thermal conductivity of diamond is 20 (W
/ Cm · K) and 10 times or more of Si, and is excellent in heat dissipation. Further, diamond has high carrier mobility (electron mobility: 2000 (cm 2 / V · sec), hole mobility: 2100 (cm 2 / V · sec), 300
K), low inductivity (K = 5.5), and high breakdown electric field (E = 5 × 10 6 V / cm). Therefore, by using diamond as a semiconductor material in the present invention, a device having good frequency characteristics, stable operation at high temperature, and high power at high frequency can be easily manufactured.
【００３２】図１のＦＥＴにおいて、ゲート電極１３０
の下の絶縁性の介在領域１４０が、ｐ型ダイヤモンド層
１１０に不純物（ｎ型ドーパント又はIV族元素）を導入
して形成されている場合、介在領域１４０は、薄膜成長
法で形成する場合よりも薄く且つ均質な領域とすること
ができるため、ゲート電極１３０からのリーク電流を抑
制しつつ良好なゲート−ドレイン特性を得ることができ
る。In the FET shown in FIG.
Is formed by introducing an impurity (an n-type dopant or a group IV element) into the p-type diamond layer 110, the intervening region 140 is formed as compared to the case where the interposed region 140 is formed by a thin film growth method. Since the region can be thin and uniform, good gate-drain characteristics can be obtained while suppressing leakage current from the gate electrode 130.
【００３３】図１のＦＥＴは、例えば、ｐ型ダイヤモン
ドの層１１０上にドレイン電極１２０ａ、及びソース電
極１２０ｂを形成し、これらの電極をマスクとしてｐ型
ダイヤモンド層１１０の一部を真性化して介在領域１４
０を形成した後、この真性化された介在領域１４０上に
ゲート電極１３０を形成することにより作製することが
好ましい。In the FET of FIG. 1, for example, a drain electrode 120a and a source electrode 120b are formed on a p-type diamond layer 110, and a part of the p-type diamond layer 110 is intrinsically interposed by using these electrodes as a mask. Region 14
It is preferable to form the gate electrode 130 on the intrinsic intervening region 140 after forming the zero.
【００３４】（半導体素子の製造方法）図２の模式断面
図に、このようなＦＥＴの作製工程の一例を示す。(Method of Manufacturing Semiconductor Element) FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of such an FET.
【００３５】図２を参照して、まず、絶縁性のダイヤモ
ンドの基板１０１上に、ｐ型のダイヤモンドの層１１０
を成長させる（図２（ａ））。Referring to FIG. 2, first, a p-type diamond layer 110 is formed on an insulating diamond substrate 101.
Is grown (FIG. 2A).
【００３６】本発明において半導体性ダイヤモンドある
いはノンドープ・ダイヤモンドを得る方法は、特に制限
されない。例えば、ダイヤモンドが人工（高圧合成）の
バルク単結晶であっても、気相合成法による薄膜多結晶
あるいは薄膜単結晶（エピタキシャル膜）であっても、
本発明の効果は変わらない。In the present invention, the method for obtaining semiconducting diamond or non-doped diamond is not particularly limited. For example, whether diamond is an artificial (high-pressure synthesis) bulk single crystal, a thin-film polycrystal or a thin-film single crystal (epitaxial film) formed by a gas phase synthesis method,
The effect of the present invention does not change.
【００３７】ダイヤモンド膜を気相合成により形成する
場合、その形成方法としては例えば以下のような各種の
方法を用いることが可能である。When a diamond film is formed by vapor phase synthesis, the following various methods can be used for forming the diamond film.
【００３８】（１）直流または交流電界により放電を起
こし、原料ガスを活性化する方法、（２）熱電子放射材
を加熱し、原料ガスを活性化する方法、（３）ダイヤモ
ンドを成長させる表面を、イオンで衝撃する方法、
（４）レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、及び（５）原料ガスを燃焼させる方法。(1) A method of activating a source gas by causing discharge by a DC or AC electric field, (2) A method of activating a source gas by heating a thermionic emission material, and (3) A surface on which diamond is grown. To bombard with ions,
(4) A method of exciting a source gas with light such as laser or ultraviolet light, and (5) A method of burning the source gas.
【００３９】上記いずれの方法も本発明に用いることが
可能であり、いずれの方法を用いた場合にも、発明の効
果は変わらない。Any of the above methods can be used in the present invention, and the effects of the present invention do not change when either method is used.
【００４０】本発明においてダイヤモンドにｎ型ドーパ
ント又は／及びｐ型ドーパントをドーピングする方法と
しては、ドーパント量の調節が容易な点からは、ＣＶＤ
法（化学的気相成長法）を用いることが好ましい。In the present invention, the method of doping the diamond with an n-type dopant and / or a p-type dopant is as follows.
It is preferable to use a method (chemical vapor deposition).
【００４１】一方、絶縁性ダイヤモンド基板１０１とし
ては、天然或いは人工（高圧合成）のバルク単結晶のも
の、気相合成により多結晶又は単結晶として形成され研
磨されたもの等を用いることができる。On the other hand, as the insulating diamond substrate 101, a natural or artificial (high-pressure synthetic) bulk single crystal substrate, a polycrystalline or single crystal formed by vapor phase synthesis and polished, or the like can be used.
【００４２】上述したような図２（ａ）の工程により、
絶縁性ダイヤモンド基板１０１上に、ｐ型ダイヤモンド
層１１０を平坦に形成することができる。By the process of FIG. 2A as described above,
The p-type diamond layer 110 can be formed flat on the insulating diamond substrate 101.
【００４３】次に、ｐ型ダイヤモンド層１１０上に、ド
レイン電極１２０ａ、及びソース電極１２０ｂを形成す
る（図２（ｂ））。Next, a drain electrode 120a and a source electrode 120b are formed on the p-type diamond layer 110 (FIG. 2B).
【００４４】これらの電極の材料としては、上述した融
点９００℃以上の金属を用いることが好ましい。特に、
Ｗ及び／又はＴｉを上記電極の材料として用いること
は、電極形成後に選択成長ないし表面処理等の操作を行
っても電極としての機能を良好に維持することができ、
セルフアラインのデバイス形成が容易となる点から好ま
しい。As a material for these electrodes, it is preferable to use the above-mentioned metals having a melting point of 900 ° C. or higher. In particular,
The use of W and / or Ti as a material of the electrode can maintain the function as an electrode well even after performing an operation such as selective growth or surface treatment after forming the electrode.
This is preferable in that the self-aligned device can be easily formed.
【００４５】次いで、上記ドレイン電極１２０ａ、及び
ソース電極１２０ｂをマスクとしてｐ型ダイヤモンド層
１１０の一部（所定の領域）に、窒素原子、リン原子等
のｎ型ドーパント、或いは、炭素イオン、ケイ素イオン
等のIV族元素を導入して該ｐ型層１１０の一部を真性化
して、介在領域１４０を形成する（図２（ｃ））。Next, using the drain electrode 120a and the source electrode 120b as a mask, a part (predetermined region) of the p-type diamond layer 110 is coated with an n-type dopant such as a nitrogen atom or a phosphorus atom, or a carbon ion or a silicon ion. Then, a part of the p-type layer 110 is made intrinsic by introducing a group IV element such as, and an intervening region 140 is formed (FIG. 2C).
【００４６】この介在領域１４０を形成する方法として
は、例えば、イオン注入法によりｎ型ドーパントを導入
した後、プラズマアニール、熱アニール等によりアニー
ルする方法が好ましく用いられる。このようにｎ型ドー
パントを導入することで、ｐ型ダイヤモンド層１１０の
不純物（ｐドーパント）が補償され、この層１１０の一
部が真性化して介在領域１４０が形成される。As a method for forming the intervening region 140, for example, a method in which an n-type dopant is introduced by an ion implantation method and then annealing is performed by plasma annealing, thermal annealing, or the like is preferably used. By introducing the n-type dopant in this manner, the impurity (p-dopant) of the p-type diamond layer 110 is compensated, and a part of the layer 110 is made intrinsic to form the intervening region 140.
【００４７】また、上述したように、炭素イオン、ケイ
素イオン等のIV族元素の導入によっても、ｐ型ダイヤモ
ンド層１１０の所定の領域に真性の介在領域１４０を形
成することができる。As described above, the intrinsic intervening region 140 can be formed in a predetermined region of the p-type diamond layer 110 by introducing a group IV element such as a carbon ion and a silicon ion.
【００４８】更に、上記のように真性化された介在領域
１４０上に、ゲート電極１３０を形成する（図２
（ｄ））。Further, the gate electrode 130 is formed on the intervening region 140 which has been made intrinsic as described above.
(D)).
【００４９】このゲート電極１３０の形成は、通常の半
導体製造工程におけるゲート電極の形成と同様に行うこ
とができる。より具体的には、例えば、ゲート電極１３
０の形成は以下のようにして行うことができる。The formation of the gate electrode 130 can be performed in the same manner as the formation of the gate electrode in a normal semiconductor manufacturing process. More specifically, for example, the gate electrode 13
The formation of 0 can be performed as follows.
【００５０】すなわち、ドレイン電極１２０ａ、ソース
電極１２０ｂと異なる材料を用いて全面蒸着を行った
後、ドレイン電極１２０ａ、ソース電極１２０ｂとエッ
チング時間の異なるエッチャントを用いてゲート電極１
３０をパターニングすることにより、ゲート電極１３０
を形成することができる。That is, after the entire surface is deposited using a material different from the drain electrode 120a and the source electrode 120b, the gate electrode 1 is formed using an etchant having a different etching time from the drain electrode 120a and the source electrode 120b.
By patterning the gate electrode 130,
Can be formed.
【００５１】上述した図２の製造方法においては、ｐ型
ダイヤモンド層１１０を真性化して介在領域１４０を形
成しているので、該介在領域１４０を均一に形成するこ
とができる。更に、従来例で用いられていた絶縁層（ダ
イヤモンド・ノンドープ層）の形成工程と比較して、図
２の製造方法においてはｐ型ダイヤモンド層１１０と介
在領域１４０との間の界面にトラップ準位が生じにくい
という利点がある。したがって、ゲート電極１３０に高
い電圧をかけても破壊が生じにくく、ゲート電極１３０
に種々の材料（Ａｌ、金等）を用いた場合にも良好な動
作特性を得ることができる。In the manufacturing method of FIG. 2 described above, since the intervening region 140 is formed by intrinsically forming the p-type diamond layer 110, the intervening region 140 can be formed uniformly. Further, as compared with the step of forming the insulating layer (diamond / non-doped layer) used in the conventional example, in the manufacturing method of FIG. 2, the trap level is formed at the interface between the p-type diamond layer 110 and the intervening region 140. This is advantageous in that it is difficult to occur. Therefore, even when a high voltage is applied to the gate electrode 130, breakdown is unlikely to occur, and the gate electrode 130
Good operating characteristics can also be obtained when various materials (Al, gold, etc.) are used.
【００５２】以上においては、図１に示したＦＥＴの構
成および製造方法の一例について説明したが、次に図１
のＦＥＴを構成する各層について説明する。In the above, an example of the configuration and the manufacturing method of the FET shown in FIG. 1 has been described.
Each layer constituting the FET will be described.
【００５３】（ｐ型ダイヤモンド層）図１のＦＥＴにお
いてチャネル領域を与える動作層１１０は、ｐ型ダイヤ
モンドを主成分とする層である。このｐ型ダイヤモンド
層１１０の厚さは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍであるこ
とがドレイン電極１２０ａおよびソース電極１２０ｂと
のオーミック性の点から好ましい。(P-Type Diamond Layer) The operation layer 110 for providing a channel region in the FET of FIG. 1 is a layer mainly composed of p-type diamond. The thickness of the p-type diamond layer 110 is preferably 100 nm to 1000 nm from the viewpoint of ohmic properties with the drain electrode 120a and the source electrode 120b.
【００５４】ｐ型ダイヤモンド層１１０に含まれるｐ型
ドーパントとしては、ボロン原子が好ましく用いられ
る。半導体としての特性の点からは、上記ｐ型ダイヤモ
ンドに含まれるｐ型ドーパント（ボロン原子等）の濃度
は１０16〜１０19ｃｍ-3であることが好ましい。As the p-type dopant contained in the p-type diamond layer 110, a boron atom is preferably used. From the viewpoint of characteristics as a semiconductor, the concentration of the p-type dopant (boron atom or the like) contained in the p-type diamond is preferably 10 16 to 10 19 cm -3 .
【００５５】上記したｐ型ドーパントの濃度は、例え
ば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定する
ことが可能である。このＳＩＭＳにおいては、例えば、
以下の測定条件（ｐ型ドーパント分析）が好適に使用可
能である。The concentration of the p-type dopant can be measured, for example, by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In this SIMS, for example,
The following measurement conditions (p-type dopant analysis) can be suitably used.
【００５６】 （ｐ型ドーパント分析） （ｎ型ドーパント分析） １次イオン： Ｏ2 + Ｃs + 加速電圧： １５ｋＶ １０ｋＶ 電流： ２０００ｎＡ ５８０ｎＡ ラスタサイズ：２５０μｍ角 ２５０μｍ角 分析面積： 直径６２μｍφ ６２μｍφ （介在領域）図１の半導体素子においては、上記ｐ型ダ
イヤモンド層１１０とゲート電極１３０との間に、ｐ型
ドーパントとｎ型ドーパント（又はIV族元素）とを含む
ダイヤモンドからなる介在領域１４０が設けられてい
る。換言すれば、ｐ型ダイヤモンド層１１０とゲート電
極１３０との接触部近傍には、上記介在領域１４０が設
けられている。(P-type dopant analysis) (N-type dopant analysis) Primary ion: O 2 + C s + Acceleration voltage: 15 kV 10 kV Current: 2000 nA 580 nA Raster size: 250 μm square 250 μm square Analysis area: 62 μmφ 62 μmφ (intervening region) In the semiconductor device of FIG. 1, an intervening region 140 made of diamond containing a p-type dopant and an n-type dopant (or a group IV element) is provided between the p-type diamond layer 110 and the gate electrode 130. I have. In other words, the intervening region 140 is provided near the contact portion between the p-type diamond layer 110 and the gate electrode 130.
【００５７】介在領域１４０の厚さは、５００〜２０ｎ
ｍであることがトランジスタ特性の点から好ましい。こ
の介在領域１４０の厚さは、例えば、ＳＩＭＳで深さ方
向の分析を行うことによって求めることが可能である。The thickness of the intervening region 140 is 500 to 20 n
m is preferable from the viewpoint of transistor characteristics. The thickness of the intervening region 140 can be determined, for example, by performing analysis in the depth direction by SIMS.
【００５８】介在領域に含まれるｎ型ドーパントとして
は、窒素原子が好ましく用いられる。半導体素子として
の特性の点からは、上記介在領域に含まれるｎ型ドーパ
ント（窒素原子等）の濃度は１０15ｃｍ-3以上であるこ
とが好ましい。このｎ型ドーパントの濃度が１０15ｃｍ
-3以上１０19ｃｍ-3未満の場合と、１０19ｃｍ-3以上の
場合とでは、介在領域におけるｎ型ドーパント由来のキ
ャリア濃度が大きく変化するので、該介在領域に要求さ
れる特性（抵抗率ないし絶縁性、ｎ型またはｐ型伝導性
等）に応じてｎ型ドーパント濃度を選択することが好ま
しい。As the n-type dopant contained in the intervening region, a nitrogen atom is preferably used. From the viewpoint of characteristics as a semiconductor element, the concentration of the n-type dopant (nitrogen atom or the like) contained in the intervening region is preferably 10 15 cm −3 or more. The concentration of this n-type dopant is 10 15 cm
Since the carrier concentration derived from the n-type dopant in the intervening region greatly changes between −3 to less than 10 19 cm −3 and 10 19 cm −3 or more, the characteristics required for the intervening region (resistance It is preferable to select the n-type dopant concentration according to the rate or the insulating property, n-type or p-type conductivity.
【００５９】上記したｎ型ドーパント等の濃度は、例え
ば、上記ＳＩＭＳにより測定することが可能である。こ
のＳＩＭＳにおいては、例えば、上記と同様の測定条件
（ｎ型ドーパント分析）を用いることができる。The concentration of the above-mentioned n-type dopant or the like can be measured, for example, by the above-mentioned SIMS. In this SIMS, for example, the same measurement conditions (n-type dopant analysis) as described above can be used.
【００６０】介在領域にボロン原子（ｐ型ドーパント）
と窒素原子（ｎ型ドーパント）がドーピングされている
場合、ドーピングされた窒素原子の濃度（ＣＮ）とボロ
ン原子の濃度（ＣＢ）とは、介在領域のｎ型伝導性の点
から、１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの関係を有していること
が好ましく、更には１０ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの関係を有し
ていることが好ましい。Boron atom (p-type dopant) in the intervening region
And nitrogen atoms (n-type dopant) are doped, the concentration of the doped nitrogen atoms (CN) and the concentration of boron atoms (CB) should be 100 CB ≧ CN in view of the n-type conductivity of the intervening region. > CB, and more preferably 10CB ≧ CN> CB.
【００６１】（他の実施態様）本発明の半導体素子の他
の実施態様を、図３の模式断面図に示す。(Other Embodiment) Another embodiment of the semiconductor device of the present invention is shown in a schematic sectional view of FIG.
【００６２】この図３の態様においては、ｐ型ダイヤモ
ンド層が、（ドレイン電極１２０ａ側から）高濃度のｐ
型ドーパントを含む高濃度ドープ層１１１と、低濃度の
ｐ型ドーパントを含む低濃度ドープ層１１０ａとから構
成され、且つ、図１の介在領域１４０に代えて、（ゲー
ト電極１３０側から）絶縁性の層１４０ａと、これとは
ｐ型ドーパント濃度が異なるドーパント含有層１４０ｂ
が設けられている。図３の半導体素子は、このようにｐ
型ダイヤモンド層及び介在領域の構成が異なる以外は、
図１の半導体素子と同様の構成を有している。In the embodiment shown in FIG. 3, the p-type diamond layer has a high concentration of p (from the drain electrode 120a side).
1 and a low-concentration doped layer 110a containing a low-concentration p-type dopant, and instead of the intervening region 140 of FIG. Layer 140a and a dopant-containing layer 140b having a p-type dopant concentration different therefrom.
Is provided. The semiconductor device of FIG.
Except for the difference in the configuration of the mold diamond layer and the intervening region,
It has the same configuration as the semiconductor element of FIG.
【００６３】この図３の態様においては、高濃度のｐ型
ドーパントを含む高濃度ドープ層１１１（電気抵抗が小
さい）がドレイン電極１２０ａおよびソース電極１２０
ｂと接触しているため、これらの電極とのオーミック性
が向上し（直流抵抗分が小さくなり）、更に改良された
トランジスタ特性が容易に得られるという利点がある。In the embodiment shown in FIG. 3, a heavily doped layer 111 (having a small electric resistance) containing a high concentration of a p-type dopant is formed by a drain electrode 120a and a source electrode 120a.
Since it is in contact with b, there is an advantage that ohmic properties with these electrodes are improved (the DC resistance is reduced), and further improved transistor characteristics can be easily obtained.
【００６４】上記低濃度ドープ層１１０ａは、図１のｐ
型ダイヤモンド層１１０と同様のｐ型ドーパント濃度を
有していることが好ましく、また、上記高濃度ドープ層
１１１は、１０19〜１０21ｃｍ-3程度のｐ型ドーパント
濃度を有していることが好ましい。The lightly doped layer 110a is formed by p
It is preferable that the high-concentration doped layer 111 has a p-type dopant concentration of about 10 19 to 10 21 cm −3 . Is preferred.
【００６５】高濃度ドープ層１１１のｐ型ドーパント濃
度（ＣＰＨ）と低濃度ドープ層１１０ａのｐ型ドーパン
ト濃度（ＣＰＬ）との比（ＣＰＨ／ＣＰＬ）は、１０1
〜１０6 であることが好ましい。The ratio (CPH / CPL) of the p-type dopant concentration (CPH) of the heavily doped layer 111 to the p-type dopant concentration (CPL) of the lightly doped layer 110a is 10 1
It is preferable that the 10 6.
【００６６】図３の態様の半導体素子の製造方法の一例
を、図４の模式断面図に示す。An example of a method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment shown in FIG. 3 is shown in a schematic sectional view of FIG.
【００６７】図４の製造工程においては、図２の場合と
同様にｐ型ドーパントをドープした低濃度ドープ層１１
０ａを形成し、該低濃度ドープ層１１０ａ上に高濃度の
ドープ層１１１を更に形成した後、真性化した領域１４
０ａおよびｎ型ドーパント含有領域１４０ｂを形成して
いる。In the manufacturing process of FIG. 4, the lightly doped layer 11 doped with a p-type dopant is formed as in the case of FIG.
0a, and further forming a high-concentration doped layer 111 on the low-concentration doped layer 110a.
0a and the n-type dopant containing region 140b are formed.
【００６８】図４を参照して、図２の製造工程と同様
に、絶縁性ダイヤモンド基板１０１上に、ｐ型ドーパン
トをドープしたダイヤモンドの膜を気相成長させて低濃
度ドープ層１１０ａを形成する。次いで、ｐ型ドーパン
ト含有ガスの流量ないし濃度を変化させて、上記低濃度
ドープ層１１０ａ上に、ｐ型ドーパントのドープ量が多
いダイヤモンドの膜を気相成長させ、高濃度（好ましく
は、ｐ型ドーパント濃度１０19〜１０21ｃｍ-3）のドー
プ層１１１を形成する（図４（ａ））。Referring to FIG. 4, similarly to the manufacturing process of FIG. 2, a film of diamond doped with a p-type dopant is vapor-phase grown on insulating diamond substrate 101 to form lightly doped layer 110a. . Next, by changing the flow rate or concentration of the p-type dopant-containing gas, a diamond film having a large doping amount of the p-type dopant is vapor-phase grown on the low-concentration doped layer 110a, A doped layer 111 having a dopant concentration of 10 19 to 10 21 cm −3 ) is formed (FIG. 4A).
【００６９】次に、図２の製造工程と同様に、上記高濃
度ドープ層１１１上にドレイン電極１２０ａおよびソー
ス電極１２０ｂを形成した後（図４（ｂ））、イオン注
入によって、ｎ型ドーパント又はIV族元素をドレイン電
極１２０ａ、ソース電極１２０ｂの間のドープ層１１０
ａ、１１１の所定の領域に導入することにより、絶縁性
の領域１４０ａと、該絶縁性領域１４０ａとはｐ型ドー
パント濃度が異なるドーパント含有層１４０ｂとを形成
している（図４（ｃ））。Next, after forming a drain electrode 120a and a source electrode 120b on the high-concentration doped layer 111 (FIG. 4B), as in the manufacturing process of FIG. Group IV element is doped layer 110 between drain electrode 120a and source electrode 120b.
By introducing them into predetermined regions a and 111, an insulating region 140a and a dopant-containing layer 140b having a different p-type dopant concentration from the insulating region 140a are formed (FIG. 4C). .
【００７０】この図４（ｃ）の工程後に、熱アニール等
のアニール処理、及び／又は水素プラズマ処理を行うこ
とは、トランジスタ特性向上の点から好ましい。After the step of FIG. 4C, it is preferable to perform an annealing process such as a thermal annealing process and / or a hydrogen plasma process from the viewpoint of improving transistor characteristics.
【００７１】上記のようにして領域１４０ａおよびｎ型
ドーパント含有領域１４０ｂを形成した後、図２の製造
工程と同様にして、絶縁性領域１４０ａ上に、ゲート電
極１３０をパターニングにより形成する（図４
（ｄ））。After forming the region 140a and the n-type dopant containing region 140b as described above, the gate electrode 130 is formed on the insulating region 140a by patterning in the same manner as in the manufacturing process of FIG. 2 (FIG. 4).
(D)).
【００７２】このようにして得られたＦＥＴ（図３）に
おいては、電気抵抗の小さな高濃度ドープ層１１１が設
けられており、図１のＦＥＴと比較して直列抵抗分がよ
り小さくなっているため、より良好なトランジスタ特性
を得ることができる。また、図４に示した工程において
は、ｐ型ドーパント含有ガスの流量及び濃度を変化させ
ることにより、低濃度ドープ層１１０ａとは異なったｐ
型ドーパント濃度を有する高濃度ドープ層１１１を連続
的に形成することが可能となる。このようなドープ層の
連続形成により、製造プロセスを簡素化することができ
る。In the FET thus obtained (FIG. 3), a high-concentration doped layer 111 having a small electric resistance is provided, and the series resistance is smaller than that of the FET of FIG. Therefore, better transistor characteristics can be obtained. In the step shown in FIG. 4, by changing the flow rate and the concentration of the p-type dopant-containing gas, the p-type dopant layer 110a differs from the low-concentration doped layer 110a.
It is possible to continuously form the high concentration doped layer 111 having the type dopant concentration. The continuous formation of such a doped layer can simplify the manufacturing process.
【００７３】本発明の半導体素子の更に他の実施態様
を、図５の模式断面図に示す。Another embodiment of the semiconductor device of the present invention is shown in a schematic sectional view of FIG.
【００７４】この図５の半導体素子においては、ゲート
電極１３０下の介在領域１５０が、ｐ型ダイヤモンド層
１１０上に設けられている以外は、図１の半導体素子と
同様の構成とされている。上記介在領域１５０は、ｎ型
ドーパントを含むダイヤモンドからなる。The semiconductor device of FIG. 5 has the same configuration as the semiconductor device of FIG. 1, except that an intervening region 150 below gate electrode 130 is provided on p-type diamond layer 110. The intervening region 150 is made of diamond containing an n-type dopant.
【００７５】半導体素子としての特性の点からは、上記
介在領域１５０に含まれるｎ型ドーパント（窒素原子
等）の濃度は１０15ｃｍ-3以上であることが好ましい。
高抵抗の介在領域１５０が好ましい場合には、このｎ型
ドーパントの濃度は１０15ｃｍ-3以上１０19ｃｍ-3未満
が適当である。一方、低抵抗の介在領域１５０が好まし
い場合には、このｎ型ドーパント濃度は１０19ｃｍ-3以
上が適当である。また、介在領域１５０の厚さは、５０
０〜２０ｎｍであることが好ましい。From the viewpoint of characteristics as a semiconductor element, the concentration of the n-type dopant (nitrogen atom or the like) contained in the intervening region 150 is preferably 10 15 cm −3 or more.
If intermediate region 150 of the high resistance is desired, the concentration of the n-type dopant is suitably less than 10 15 cm -3 or more 10 19 cm -3. On the other hand, when the low-resistance intervening region 150 is preferable, the n-type dopant concentration is suitably 10 19 cm −3 or more. The thickness of the intervening region 150 is 50
It is preferably from 0 to 20 nm.
【００７６】本発明の半導体素子の更に他の実施態様
を、図６の模式断面図に示す。Another embodiment of the semiconductor device of the present invention is shown in a schematic sectional view of FIG.
【００７７】この図６の半導体素子においては、図５の
介在領域１５０に代えて、ゲート電極１３０下に、ダイ
ヤモンド・ノンドープ層１６０が設けられ、更に該ノン
ドープ層１６０の直下にｎ型ドーパントを含むダイヤモ
ンド層１７０が設けられている以外は、図５の半導体素
子と同様の構成とされている。In the semiconductor device of FIG. 6, a diamond non-doped layer 160 is provided below gate electrode 130 instead of intervening region 150 of FIG. 5, and further includes an n-type dopant immediately below non-doped layer 160. Except for the provision of the diamond layer 170, the configuration is the same as that of the semiconductor device of FIG.
【００７８】半導体素子としての特性の点からは、上記
ｎ型ダイヤモンド層１７０に含まれるｎ型ドーパント
（窒素原子等）の濃度は１０15ｃｍ-3以上であることが
好ましい。高抵抗のｎ型層１７０が好ましい場合には、
このｎ型ドーパントの濃度は１０15ｃｍ-3以上１０19ｃ
ｍ-3未満が適当である。一方、低抵抗のｎ型層１７０が
好ましい場合には、このｎ型ドーパント濃度は１０19ｃ
ｍ-3以上が適当である。また、ノンドープ層１６０のの
厚さは、１０００〜１０ｎｍであることが好ましく、ｎ
型層１７０の厚さは、５００〜１０ｎｍであることが好
ましい。From the viewpoint of the characteristics as a semiconductor element, the concentration of the n-type dopant (nitrogen atom or the like) contained in the n-type diamond layer 170 is preferably 10 15 cm −3 or more. When the high-resistance n-type layer 170 is preferable,
The concentration of this n-type dopant is 10 15 cm -3 or more and 10 19 c
A value of less than m -3 is appropriate. On the other hand, when the low-resistance n-type layer 170 is preferable, the n-type dopant concentration is 10 19 c
m -3 or more is appropriate. Further, the thickness of the non-doped layer 160 is preferably from 1000 to 10 nm, and n
The thickness of the mold layer 170 is preferably 500 to 10 nm.
【００７９】[0079]
【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明する。EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.
【００８０】実施例１（図１のＦＥＴの製造例） この実施例においては、基板１０１を絶縁性のものと
し、この基板１０１上にｐ型ドーパントをドープしたダ
イヤモンドの膜を形成してｐ型層１１０とし、更に該ｐ
型層１１０の所定の部分を真性化して介在領域１４０を
形成した。 Example 1 ( Example of Manufacturing FET of FIG. 1) In this example, the substrate 101 was made of an insulating material, and a diamond film doped with a p-type dopant was formed on the substrate 101 to form a p-type material. Layer 110, and
A predetermined portion of the mold layer 110 was made intrinsic to form the intervening region 140.
【００８１】すなわち、まず、抵抗率が１０10Ω・ｃｍ
以上の絶縁性のダイヤモンドの基板１０１上に、ボロン
（ｐ型ドーパント）をドープしたダイヤモンドの膜をマ
イクロ波ＣＶＤにより気相成長させて、ｐ型ダイヤモン
ド層１１０を形成した（図２（ａ））。この気相成長
は、以下のようにして行った。That is, first, the resistivity is 10 10 Ω · cm
On the insulating diamond substrate 101, a diamond film doped with boron (p-type dopant) was vapor-phase grown by microwave CVD to form a p-type diamond layer 110 (FIG. 2A). . This vapor phase growth was performed as follows.
【００８２】直径が約４６ｍｍの石英の反応管内に絶縁
性ダイヤモンド基板１０１を配置し、原料ガス及びその
流量を、水素流量１００ＳＣＣＭ、メタン流量４ＳＣＣ
Ｍ、ジボランＢ2 Ｈ6 （水素で１０ｐｐｍの濃度に希
釈）流量１００ＳＣＣＭとして、圧力を４０Ｔｏｏｒに
保った。放電のためのマイクロ波のパワーは４００Ｗ、
基板１０１の温度は８８０℃とした。２時間の放電でｐ
型ダイヤモンド層１１０は厚さ約１μｍに形成された。
この膜厚を薄くした場合、後のイオン注入の加速エネル
ギーを低くしても、同等なトランジスタ特性を得ること
ができた。An insulative diamond substrate 101 was placed in a quartz reaction tube having a diameter of about 46 mm, and a raw material gas and its flow rate were adjusted to a hydrogen flow rate of 100 SCCM and a methane flow rate of 4SCC.
M, diborane B 2 H 6 (diluted with hydrogen to a concentration of 10 ppm) at a flow rate of 100 SCCM and pressure maintained at 40 Toor. The microwave power for discharging is 400W,
The temperature of the substrate 101 was 880 ° C. 2 hours discharge
The mold diamond layer 110 was formed to a thickness of about 1 μm.
When this film thickness was reduced, equivalent transistor characteristics could be obtained even if the acceleration energy of the subsequent ion implantation was reduced.
【００８３】本実施例においては、ボロン原子の濃度が
１０ｐｐｍで膜厚６００ｎｍのｐ型ダイヤモンド層１１
０を絶縁性ダイヤモンド基板１０１上に形成した。In this embodiment, a p-type diamond layer 11 having a boron atom concentration of 10 ppm and a thickness of 600 nm is used.
0 was formed on the insulating diamond substrate 101.
【００８４】上記した水素希釈ジボランの流量及び濃度
を変化させた場合、膜の成長速度やドーパントの取り込
まれる量が変化し、形成されるダイヤモンド膜の不純物
濃度が変化した。水素希釈ジボランの流量及び濃度を、
１０ｐｐｍの希釈ガス、１ＳＣＣＭの条件から２００ｐ
ｐｍの希釈ガス、１０ＳＣＣＭまで変化させ、ｐ型ダイ
ヤモンド層１１０の不純物濃度を変化させた場合にも、
上記と同様に図１に示す構造のＦＥＴが得られた。メタ
ン流量は小さい（６ＳＣＣＭ以下）方が、良好なホモ接
合のエピタキシャル膜が形成された。メタン流量を変化
させた場合、膜の成長速度やボロン原子の取り込まれる
量が変化したが、ｐ型ダイヤモンド膜中のボロン原子の
濃度が、膜特性を決定する主な要因であった。When the flow rate and the concentration of the hydrogen-diluted diborane were changed, the growth rate of the film and the amount of the dopant taken in changed, and the impurity concentration of the formed diamond film changed. The flow rate and concentration of hydrogen-diluted diborane
200 ppm from 10 ppm dilution gas and 1 SCCM
In the case where the pm dilution gas is changed up to 10 SCCM and the impurity concentration of the p-type diamond layer 110 is changed,
An FET having the structure shown in FIG. 1 was obtained in the same manner as described above. As the methane flow rate was smaller (6 SCCM or less), a favorable homojunction epitaxial film was formed. When the flow rate of methane was changed, the growth rate of the film and the amount of boron atoms taken in were changed, but the concentration of boron atoms in the p-type diamond film was the main factor for determining the film characteristics.
【００８５】上記により得た試料をもとに、以下のよう
にしてＦＥＴを作製し、その特性を評価した。Based on the sample obtained as described above, an FET was manufactured as described below, and its characteristics were evaluated.
【００８６】ドレイン電極１２０ａ、およびソース電極
１２０ｂ（いずれも材質はＴｉ／Ｍｏ／Ａｕ、膜厚２０
／２０／１００ｎｍ）をフォトリソグラフィにより形成
した（図２（ｂ））。この際、後のイオン注入の際にマ
スクとなるようにドレイン電極１２０ａ、ソース電極１
２０ｂ上に、Ａｕ、Ａｌ、ＳｉＯ2 等の薄膜を同様にフ
ォトリソグラフィによりパターニングしておいた。A drain electrode 120a and a source electrode 120b (both are made of Ti / Mo / Au and have a thickness of 20
/ 20/100 nm) by photolithography (FIG. 2B). At this time, the drain electrode 120a and the source electrode 1 are used so as to serve as a mask in the subsequent ion implantation.
A thin film of Au, Al, SiO 2 or the like was similarly patterned on 20b by photolithography.
【００８７】次いで、窒素原子を、加速電圧２０〜２０
０ｋｅＶのイオン注入によってドレイン電極１２０ａ、
ソース電極１２０ｂの間のｐ型ダイヤモンド層１１０に
導入した（図２（ｃ））。このイオン注入により、窒素
原子はｐ型ダイヤモンド層１１０の一部に１０19〜１０
21ｃｍ-3程度ドープされ、この部分におけるｐ型層１１
０の不純物（ボロン原子）が補償されて電気的特性が著
しく変化した。この結果、層１１０が真性化して絶縁性
BR>を有するようになり、介在領域１４０が形成され
た。Next, a nitrogen atom is added at an accelerating voltage of 20 to 20.
The drain electrode 120a is formed by ion implantation of 0 keV.
It was introduced into the p-type diamond layer 110 between the source electrodes 120b (FIG. 2C). By this ion implantation, nitrogen atoms are added to a part of the p-type diamond layer 110 by 10 19 to 10.
The p-type layer 11 is doped at about 21 cm -3
The impurity of 0 (boron atom) was compensated, and the electrical characteristics changed significantly. As a result, the layer 110 becomes intrinsic and has an insulating property.
BR>, and the intervening region 140 was formed.
【００８８】その後、ゲート電極材料（Ａｌ）を上記に
より作製した試料上に蒸着（膜厚１００ｎｍ）し、フォ
トリソグラフィによりパターニングしてゲート電極１３
０を形成し（図２（ｄ））、ＭＩＳＦＥＴ構造の半導体
素子（ゲート長：５μｍ、ゲート幅：２０μｍ、ソース
−ゲート間隔：２μｍ、ドレイン−ゲート間隔：２μ
ｍ）を得た。Thereafter, a gate electrode material (Al) is deposited (film thickness: 100 nm) on the sample prepared as described above, and patterned by photolithography to form the gate electrode 13.
0 (FIG. 2D), a semiconductor device having a MISFET structure (gate length: 5 μm, gate width: 20 μm, source-gate distance: 2 μm, drain-gate distance: 2 μm)
m).
【００８９】上記イオン注入時の加速エネルギーを変化
させ、ｐ型ダイヤモンド層１１０に体する窒素原子のド
ーズ量（ａｔ／ｃｍ2 ）を変化させて５種類のＦＥＴ試
料（ａ〜ｅ）を作製した。このように作製したＦＥＴ試
料について、相互コンダクタンス（ｇm ）、ピンチオフ
電圧（Ｖp ）、およびピンチオフ電流（Ｉp ）のそれぞ
れの特性を測定した。測定結果を下記表１に示す。By changing the acceleration energy at the time of the ion implantation and changing the dose (at / cm 2 ) of nitrogen atoms contained in the p-type diamond layer 110, five types of FET samples (a to e) were produced. . The characteristics of the transconductance (g m ), the pinch-off voltage (V p ), and the pinch-off current (I p ) of the FET sample thus manufactured were measured. The measurement results are shown in Table 1 below.
【００９０】[0090]
【表１】 [Table 1]
【００９１】上記表１における「比較試料」は、図７の
模式断面図に示すような構造を有する試料であり、図１
のＦＥＴにおける介在領域１４０を形成する代わりに、
選択成長技術を用いて真性の層（ノンドープ・ダイヤモ
ンド層）２４０を形成したものである。このＦＥＴは、
絶縁性ダイヤモンド基板１０１上にｐ型ダイヤモンド層
２１０（ボロン原子濃度：１０17ｃｍ-3、膜厚１００ｎ
ｍ）を形成した後、このｐ型層２１０上にノンドープ・
ダイヤモンドの真性の層２４０（膜厚２００ｎｍ）を選
択成長させ、次いで、ドレイン電極２２０ａ、ソース電
極２２０ｂ、およびゲート電極２３０をフォトリソグラ
フィにより形成することにより作製したものである。The "comparative sample" in Table 1 is a sample having a structure as shown in the schematic sectional view of FIG.
Instead of forming the intervening region 140 in the FET of
An intrinsic layer (non-doped diamond layer) 240 is formed by using a selective growth technique. This FET is
A p-type diamond layer 210 (boron concentration: 10 17 cm -3 , thickness: 100 n) is formed on an insulating diamond substrate 101.
m), a non-doped layer is formed on the p-type layer 210.
It is manufactured by selectively growing a diamond intrinsic layer 240 (200 nm thick), and then forming a drain electrode 220a, a source electrode 220b, and a gate electrode 230 by photolithography.
【００９２】上記表１から明らかなように、図１の構造
を有する本発明のＦＥＴは、良好な特性を有し、且つ図
７の構造を有する「比較試料」よりも低い電圧で駆動で
きるものとなっている。上記した本発明のＦＥＴにおい
て、ｐ型ダイヤモンド層１１０のボロン原子の濃度は、
本実施例ないし実施例２以下のＦＥＴの特性に大きく関
与し、特性を決める主な要因になっていた。このｐ型層
１１０の成長時の圧力やマイクロ波パワーは、ｐ型層１
１０に取り込まれるボロン原子の量に変化を与えるた
め、成長時のこれらの値を変化させることにより、ＦＥ
Ｔの特性を変えることが可能であった。As is clear from Table 1, the FET of the present invention having the structure of FIG. 1 has good characteristics and can be driven at a lower voltage than the "comparative sample" having the structure of FIG. It has become. In the FET of the present invention described above, the concentration of boron atoms in the p-type diamond layer 110 is:
This embodiment has a great influence on the characteristics of the FETs according to the present embodiment and the second and subsequent embodiments, and has been a main factor in determining the characteristics. The pressure and microwave power during the growth of the p-type layer 110 are
In order to change the amount of boron atoms taken into the FE, by changing these values during growth, the FE
It was possible to change the characteristics of T.
【００９３】実施例２（図３のＦＥＴの製造例） この実施例においては、実施例１と同様に絶縁性ダイヤ
モンド層１０１上に、ボロンをドープしたｐ型ダイヤモ
ンドの層１１０ａを形成し、このｐ型層１１０ａの上に
高濃度のボロンドープ層１１１を更に形成した後、イオ
ン注入により真性化した介在領域１４０を形成した（図
４）。 Example 2 ( Example of Manufacturing FET of FIG. 3) In this example, a boron-doped p-type diamond layer 110a was formed on an insulating diamond layer 101 in the same manner as in Example 1. After a high-concentration boron-doped layer 111 was further formed on the p-type layer 110a, an intervening region 140 that was made intrinsic by ion implantation was formed (FIG. 4).
【００９４】すなわち、前述の実施例１と同様に、層１
０１上にボロンをドープしたダイヤモンドの膜を気相成
長させ、ｐ型ダイヤモンド層１１０ａ（ボロン原子濃
度：１０17ｍ-3、膜厚：１００ｎｍ）を形成した。次い
で、このｐ型層１１０ａの上に水素希釈ジボランの流量
及び濃度を変化させて、ボロンのドープ量が多いダイヤ
モンドの膜を気相成長させ、高濃度（１０19〜１０21ｃ
ｍ-3）のボロンドープ層１１１（膜厚：３００ｎｍ）を
形成させた（図４（ａ））。That is, as in the first embodiment, the layer 1
A diamond film doped with boron was vapor-grown on 01 to form a p-type diamond layer 110a (boron atom concentration: 10 17 m -3 , film thickness: 100 nm). Next, the flow rate and the concentration of hydrogen-diluted diborane are changed on the p-type layer 110a to grow a diamond film with a large boron doping amount in a vapor phase, and the high concentration (10 19 to 10 21 c
An m −3 ) boron doped layer 111 (thickness: 300 nm) was formed (FIG. 4A).
【００９５】更に、実施例１と同様に、ドレイン電極１
２０ａ、ソース電極１２０ｂを形成した後（図４
（ｂ））、イオン注入によって、ドレイン電極１２０
ａ、ソース電極１２０ｂの間のｐ型ダイヤモンド層１１
０および高濃度ドープ層１１１に窒素原子を導入した
（図４（ｃ））。この実施例においてイオン注入条件
は、加速エネルギー２００ｋｅＶ、窒素原子のドーズ量
１０16ｃｍ-2とした。次いで、実施例１と同様にゲート
電極１３０をパターニングにより形成して図３に示す構
造のＦＥＴを得た（図４（ｄ））。介在層１４０は、電
気的に絶縁性（抵抗率：１０10Ω・ｃｍ以上）を有して
いた。Further, similar to the first embodiment, the drain electrode 1
20a and after forming the source electrode 120b (FIG.
(B)) The drain electrode 120 is formed by ion implantation.
a, p-type diamond layer 11 between source electrodes 120b
Nitrogen atoms were introduced into the zero and high concentration doped layers 111 (FIG. 4C). In this example, the ion implantation conditions were an acceleration energy of 200 keV and a dose of nitrogen atoms of 10 16 cm −2 . Next, a gate electrode 130 was formed by patterning in the same manner as in Example 1 to obtain an FET having the structure shown in FIG. 3 (FIG. 4D). The intervening layer 140 was electrically insulating (resistivity: 10 10 Ω · cm or more).
【００９６】このようにして得られた図３のＦＥＴにお
いては、電気抵抗の小さな高濃度ボロンドープ層１１１
が設けられているため、図１のＦＥＴと比較して、直列
抵抗分が小さくなっており、図１のＦＥＴより良好な特
性が得られた。また、この実施例においては、水素希釈
ジボランの流量及び濃度を変化させることにより、ｐ型
ダイヤモンド層１１０ａとは異なった不純物濃度を有す
る高濃度ボロンドープ層１１１を連続的に形成して、製
造プロセスを簡素化することが可能であった。In the FET of FIG. 3 thus obtained, the high-concentration boron-doped layer 111 having a small electric resistance is used.
Is provided, the series resistance is smaller than that of the FET of FIG. 1, and better characteristics are obtained than the FET of FIG. Further, in this embodiment, by changing the flow rate and concentration of hydrogen-diluted diborane, a high-concentration boron-doped layer 111 having an impurity concentration different from that of the p-type diamond layer 110a is continuously formed, and the manufacturing process is performed. It could be simplified.
【００９７】実施例３ この実施例においては、実施例２におけるゲート電極１
３０の形成前に、熱アニール処理を行った。 Embodiment 3 In this embodiment, the gate electrode 1 of Embodiment 2 is used.
Prior to forming 30, a thermal annealing process was performed.
【００９８】すなわち、この実施例においては、図４の
製造工程において、実施例２と同様に窒素原子をイオン
注入して介在領域１４０を形成した後（図４（ｃ）の工
程後）に、熱アニール処理を行った。次いで、ゲート電
極１３０を形成して（図４（ｄ））ＦＥＴを作製した。That is, in this embodiment, after the nitrogen atoms are ion-implanted to form the intervening region 140 in the manufacturing process of FIG. 4 (after the process of FIG. 4C), as in the second embodiment, Thermal annealing was performed. Next, a gate electrode 130 was formed (FIG. 4D) to fabricate an FET.
【００９９】下記表２に、熱アニールすべき試料を上記
表１に示した「試料ｂ」の条件で作成し、上記アニール
処理をランプアニールで６０分間行った場合に得られた
ＦＥＴの特性を示したものである。この実施例において
は、上記アニール処理に基づき、より改良された特性が
得られた。Table 2 below shows the characteristics of the FET obtained when a sample to be thermally annealed was prepared under the conditions of “sample b” shown in Table 1 and the above annealing treatment was performed by lamp annealing for 60 minutes. It is shown. In this example, further improved characteristics were obtained based on the above annealing treatment.
【０１００】[0100]
【表２】 [Table 2]
【０１０１】実施例４ この実施例においては、実施例２におけるゲート電極１
３０の形成前に、水素プラズマ処理を行った。 Embodiment 4 In this embodiment, the gate electrode 1 of Embodiment 2 is used.
Before forming 30, a hydrogen plasma treatment was performed.
【０１０２】すなわち、この実施例においては、図４の
製造工程において、実施例２と同様に窒素原子をイオン
注入して介在領域１４０を形成した後（図４（ｃ）の工
程後）に、水素プラズマ処理を行った。次いで、ゲート
電極１３０を形成して（図４（ｄ））ＦＥＴを作製し
た。That is, in this embodiment, in the manufacturing process of FIG. 4, after the nitrogen atoms are ion-implanted to form the intervening region 140 (after the process of FIG. 4C), as in Embodiment 2, A hydrogen plasma treatment was performed. Next, a gate electrode 130 was formed (FIG. 4D) to fabricate an FET.
【０１０３】下記表３に、水素プラズマ処理すべき試料
を上記表１に示した「試料ｂ」の条件で作成し、上記水
素プラズマ処理を１０分間行った場合に得られたＦＥＴ
の特性を示したものである。この実施例においては、上
記水素プラズマ処理に基づき、注入層（介在領域１４
０）の膜厚の減少が見られたが、トランジスタ特性は更
に改良された。In Table 3 below, a sample to be subjected to hydrogen plasma treatment was prepared under the conditions of “Sample b” shown in Table 1 above, and the FET obtained when the hydrogen plasma treatment was performed for 10 minutes.
It shows the characteristics of the above. In this embodiment, the injection layer (intervening region 14) is formed based on the hydrogen plasma processing.
Although the film thickness of 0) was reduced, the transistor characteristics were further improved.
【０１０４】[0104]
【表３】 [Table 3]
【０１０５】実施例５ この実施例においては、実施例１における窒素原子のイ
オン注入に代えてＮＨ3 プラズマ照射を行うことによ
り、ｐ型ダイヤモンド層１１０を真性化して介在領域１
４０を形成した。 Embodiment 5 In this embodiment, the p-type diamond layer 110 is made intrinsic by irradiating NH 3 plasma instead of the ion implantation of nitrogen atoms in the embodiment 1 to make the intervening region 1
40 were formed.
【０１０６】すなわち、実施例１と同様に、絶縁性ダイ
ヤモンド基板１０１上に、ボロンをドープしたダイヤモ
ンドの膜を気相成長させてｐ型ダイヤモンド層１１０
（ボロン原子濃度：１０17ｃｍ-3、膜厚：１００ｎｍ）
を形成した後（図２（ａ））、ドレイン電極１２０ａ、
ソース電極１２０ｂを形成して、図２（ｂ）に示す試料
を作製した。That is, in the same manner as in the first embodiment, a boron-doped diamond film is vapor-phase grown on an insulating diamond substrate 101 to form a p-type diamond layer 110.
(Boron atom concentration: 10 17 cm -3 , film thickness: 100 nm)
(FIG. 2A), the drain electrode 120a,
The sample shown in FIG. 2B was manufactured by forming the source electrode 120b.
【０１０７】次いで、ＮＨ3 ガスをプラズマで分解し、
このプラズマを比較的高温で照射してプラズマ処理（１
２０分間）することにより、ドレイン電極１２０ａ、ソ
ース電極１２０ｂの間のｐ型ダイヤモンド層１１０に窒
素原子を導入して真性化した介在領域１４０を形成した
（図２（ｃ））。更に、実施例１と同様にゲート電極１
３０を形成して（図２（ｄ））ＦＥＴを得た。上記介在
層１４０は、電気的に絶縁性を有していた。Next, the NH 3 gas is decomposed by plasma,
This plasma is irradiated at a relatively high temperature to perform a plasma treatment (1).
20 minutes), nitrogen atoms were introduced into the p-type diamond layer 110 between the drain electrode 120a and the source electrode 120b to form the intervening region 140 that was made intrinsic (FIG. 2C). Further, as in the first embodiment, the gate electrode 1
30 was formed (FIG. 2D) to obtain an FET. The intervening layer 140 was electrically insulating.
【０１０８】下記表４は、実施例１と同様の工程により
膜厚等のパラメータを同じにして作製した試料（図２
（ｂ））に、ＮＨ3 プラズマを生成する際のマイクロ波
のパワー及び処理温度を変化させてプラズマ処理を行っ
た場合に得られたＦＥＴの特性を示したものである。こ
の実施例においても、上述の実施例と同等の特性が得ら
れた。Table 4 below shows samples (FIG. 2) produced by the same steps as in Example 1 with the same parameters such as film thickness.
(B)) shows the characteristics of the FET obtained when the plasma processing is performed by changing the microwave power and the processing temperature when generating the NH 3 plasma. In this embodiment, characteristics equivalent to those of the above-described embodiment were obtained.
【０１０９】[0109]
【表４】 [Table 4]
【０１１０】実施例６ 実施例１においてイオン注入した窒素に代えて、イオン
注入する元素を種々に変化させて、真性化した介在領域
１４０を形成した。 Example 6 Instead of nitrogen ion-implanted in Example 1, various elements to be ion-implanted were changed to form an intrinsic intervening region 140.
【０１１１】すなわち、実施例１と同様に、基板１０１
に、ボロンをドープしたダイヤモンドの膜を気相成長さ
せてｐ型ダイヤモンド層１１０（ボロン原子濃度：１０
17、膜厚：１００μｍ）を形成した後（図２（ａ））、
ドレイン電極１２０ａ、ソース電極１２０ｂを形成し
て、図２（ｂ）に示す試料を作製した。That is, similar to the first embodiment, the substrate 101
Then, a boron-doped diamond film is vapor-phase grown to form a p-type diamond layer 110 (boron atom concentration: 10
17 , a film thickness: 100 μm) (FIG. 2A),
A drain electrode 120a and a source electrode 120b were formed, and a sample illustrated in FIG. 2B was manufactured.
【０１１２】次いで、炭素、ケイ素、リンのそれぞれの
元素を、加速電圧２０〜２００ｋｅＶのイオン注入によ
って、ドレイン電極１２０ａ、ソース電極１２０ｂの間
の層１１０に導入した（図２（ｃ））。Next, the respective elements of carbon, silicon and phosphorus were introduced into the layer 110 between the drain electrode 120a and the source electrode 120b by ion implantation at an accelerating voltage of 20 to 200 keV (FIG. 2C).
【０１１３】このイオン注入によりｐ型ダイヤモンド層
１１０が真性化して電気的特性が著しく変化して（リン
をイオン注入した場合、層１１０の不純物（ボロン）が
補償される）、イオン注入した部分が絶縁性を有するよ
うになり、介在領域１４０が形成された。The p-type diamond layer 110 is intrinsic by the ion implantation, and the electrical characteristics are significantly changed (impurity (boron) of the layer 110 is compensated when phosphorus is ion-implanted). It became insulating, and the intervening region 140 was formed.
【０１１４】次いで、実施例１と同様にゲート電極１３
０を形成して（図２（ｄ））、ＦＥＴを得た。Next, the gate electrode 13 is formed in the same manner as in the first embodiment.
0 was formed (FIG. 2D) to obtain an FET.
【０１１５】表５は、実施例１と同様の工程により膜厚
等のパラメータを同じにして作製した試料（図２
（ｂ））に、イオン注入する元素及び加速エネルギーを
種々変化させて介在領域１４０の形成を行った場合に得
られたＦＥＴの特性を示したものである。表５に示した
ように、この実施例においても実施例１と同等の特性が
得られた。Table 5 shows samples (FIG. 2) manufactured by the same process as in Example 1 with the same parameters such as film thickness.
(B)) shows the characteristics of the FET obtained when the intervening region 140 is formed by changing the elements to be ion-implanted and the acceleration energy in various ways. As shown in Table 5, in this example, the same characteristics as in Example 1 were obtained.
【０１１６】[0116]
【表５】 [Table 5]
【０１１７】実施例７ 実施例６で得た試料（図２（ｂ））に６００℃、および
８００℃で６０分間、熱アニール処理を行った。この場
合にも、得られたＦＥＴに特性の劣化は実質的になく、
良好に動作特性が得られた。即ち、実施例６の製造工程
において、熱アニール処理を行ってからゲート電極１３
０を形成するようにしてデバイスを作製しても良いこと
が判明した。 Example 7 The sample (FIG. 2B) obtained in Example 6 was subjected to a thermal annealing treatment at 600 ° C. and 800 ° C. for 60 minutes. Also in this case, the characteristics of the obtained FET are not substantially deteriorated,
Good operating characteristics were obtained. That is, in the manufacturing process of the sixth embodiment, after performing the thermal annealing process,
It has been found that the device may be manufactured such that 0 is formed.
【０１１８】実施例８ 実施例１で得られたＦＥＴの各試料について、４端子法
によりその構造を調べたところ、これらのほとんどの試
料は図１の構造（予想された構造）を有していたが、一
部の試料（例えば試料ｃ）は、実際には図８に示す構造
を有していることが判明した。すなわち、図１における
介在領域１４０は、高抵抗層（絶縁層）１４０ｃと、低
抵抗ｎ型層１４０ｄとから構成されていた。 Example 8 The structure of each sample of the FET obtained in Example 1 was examined by the four-terminal method. Most of these samples had the structure shown in FIG. 1 (expected structure). However, it was found that some samples (for example, sample c) actually had the structure shown in FIG. That is, the intervening region 140 in FIG. 1 was composed of the high-resistance layer (insulating layer) 140c and the low-resistance n-type layer 140d.
【０１１９】そこで、図１のＦＥＴにおける介在領域１
４０を形成する代わりに、選択成長技術を用いてｎ型ダ
イヤモンド層１７０と、ノンドープ・ダイヤモンド層１
６０とをｐ型ダイヤモンド層１１０上に形成して、図６
の模式断面図に示すようなＦＥＴ試料を作製した。Therefore, the intervening region 1 in the FET shown in FIG.
Instead of forming 40, an n-type diamond layer 170 and a non-doped diamond layer 1 are formed using a selective growth technique.
6 is formed on the p-type diamond layer 110, and FIG.
An FET sample as shown in FIG.
【０１２０】この図６のＦＥＴは、絶縁性ダイヤモンド
基板１０１上にｐ型ダイヤモンド層１１０（ボロン原子
濃度：１０17ｃｍ-3、膜厚１００ｎｍ）を形成した後、
このｐ型層１１０上に、低抵抗ｎ型ダイヤモンド層１７
０（窒素原子濃度：１０19ｃｍ-3、膜厚１００ｎｍ）お
よびノンドープ・ダイヤモンド層１６０（膜厚２００ｎ
ｍ）をそれぞれ選択成長させ、次いで、ドレイン電極１
２０ａ、ソース電極１２０ｂ、およびゲート電極１３０
をフォトリソグラフィにより形成して作製した。In the FET shown in FIG. 6, after a p-type diamond layer 110 (boron atom concentration: 10 17 cm −3 , thickness: 100 nm) is formed on an insulating diamond substrate 101,
On this p-type layer 110, a low-resistance n-type diamond layer 17 is formed.
0 (nitrogen atom concentration: 10 19 cm −3 , film thickness 100 nm) and non-doped diamond layer 160 (film thickness 200 n
m) is selectively grown, and then the drain electrode 1
20a, source electrode 120b, and gate electrode 130
Was formed by photolithography.
【０１２１】このようにして得た図６のＦＥＴは、実施
例１のＦＥＴ（図１）程ではなかったが、「比較試料」
のＦＥＴ（図７）よりは良好なＦＥＴ特性を有している
ことが判明した。The FET of FIG. 6 obtained in this manner was not as good as the FET of Example 1 (FIG. 1), but was a “comparative sample”.
7 has better FET characteristics than the FET (FIG. 7).
【０１２２】実施例９ 実施例４で得られた試料（図３）について、温度を変化
させてそのＦＥＴ特性を調べたところ、実施例４のＦＥ
Ｔは、高温（５００℃）において特に図７の構造のＦＥ
Ｔ（比較試料）よりも非常に良好なＦＥＴ特性を有して
いることが判明した。更に、室温で絶縁性であると考え
られていた表面の介在領域（図３の層１４０ａ）の抵抗
率を測定したところ、高温（５００℃）においては低抵
抗であることが判明した。 Example 9 The FET characteristics of the sample obtained in Example 4 (FIG. 3) were examined by changing the temperature.
T is the FE of the structure of FIG. 7 especially at a high temperature (500 ° C.).
It was found that the FET characteristics were much better than T (comparative sample). Furthermore, when the resistivity of the intervening region (layer 140a in FIG. 3), which was considered to be insulating at room temperature, was measured, it was found that the resistivity was low at a high temperature (500 ° C.).
【０１２３】そこで、図１のＦＥＴにおける介在領域１
４０を形成する代わりに、選択成長技術を用いてｎ型ド
ーパントを含むダイヤモンド層（窒素ドープ層）１８０
をｐ型ダイヤモンド層１１０上に形成して、図９の模式
断面図に示すようなＦＥＴ試料を作製した。上記窒素ド
ープ層１８０の窒素原子濃度は、１０15ｃｍ-3以上１０
19ｃｍ-3未満とした。Therefore, the intervening region 1 in the FET of FIG.
Instead of forming 40, a diamond layer (nitrogen-doped layer) 180 containing an n-type dopant using a selective growth technique is used.
Was formed on the p-type diamond layer 110 to produce an FET sample as shown in the schematic sectional view of FIG. The nitrogen atom concentration of the nitrogen-doped layer 180 is 10 15 cm −3 or more and 10
It was less than 19 cm -3 .
【０１２４】この図９のＦＥＴは、絶縁性ダイヤモンド
基板１０１上にｐ型ダイヤモンド層１１０（ボロン原子
濃度：１０17ｃｍ-3、膜厚１００ｎｍ）を形成した後、
この層１１０上に、ｎ型ダイヤモンド層１８０（窒素原
子濃度：１０15ｃｍ-3以上１０19ｃｍ-3未満）を選択成
長させ、次いで、ドレイン電極１２０ａ、ソース電極１
２０ｂ、およびゲート電極１３０をフォトリソグラフィ
により形成して作製した。In the FET shown in FIG. 9, after a p-type diamond layer 110 (boron atom concentration: 10 17 cm −3 , thickness: 100 nm) is formed on an insulating diamond substrate 101,
On this layer 110, an n-type diamond layer 180 (nitrogen atom concentration: 10 15 cm −3 or more and less than 10 19 cm −3 ) is selectively grown, and then the drain electrode 120a and the source electrode 1
20b and the gate electrode 130 were formed by photolithography.
【０１２５】この図９のＦＥＴ特性を、比較試料のＦＥ
Ｔ（図７；介在層２４０はノンドープ・ダイヤモンド
層）のＦＥＴ特性と比較した結果を下記表６に示す。The characteristics of the FET shown in FIG.
Table 6 below shows the results of comparison with the FET characteristics of T (FIG. 7; the intermediate layer 240 is a non-doped diamond layer).
【０１２６】[0126]
【表６】 [Table 6]
【０１２７】窒素ドープ層１８０は室温では絶縁性であ
ったが、上記表６に示したように、高温（５００℃）で
は低抵抗であった。The nitrogen-doped layer 180 was insulative at room temperature, but had low resistance at high temperatures (500 ° C.) as shown in Table 6 above.
【０１２８】実施例１０ 図９に示したｎ型ダイヤモンド層１８０（窒素原子濃
度：１０15ｃｍ-3以上１０19ｃｍ-3未満）に代えて、ｎ
型ダイヤモンド層１９０（窒素原子濃度：１０19ｃ
ｍ-3）を形成した以外は実施例９と同様にして、図１０
の模式断面図に示す構造を有するＦＥＴを作製した。 Embodiment 10 Instead of the n-type diamond layer 180 (nitrogen atom concentration: 10 15 cm −3 or more and less than 10 19 cm −3 ) shown in FIG.
Diamond layer 190 (nitrogen atom concentration: 10 19 c)
m −3 ) was formed in the same manner as in Example 9 except for forming FIG.
An FET having the structure shown in FIG.
【０１２９】この図１０のＦＥＴは、実施例９のＦＥＴ
（図９）程ではなかったが、「比較試料」のＦＥＴ（図
７；介在層２４０はノンドープ・ダイヤモンド層）より
は良好なＦＥＴ特性（ｇm ＝１０〜３０μＳ／ｍｍ）を
有していた。The FET of FIG. 10 is the same as the FET of the ninth embodiment.
Although not as good as (FIG. 9), it had better FET characteristics (g m = 10 to 30 μS / mm) than the “comparative sample” FET (FIG. 7; the intervening layer 240 was a non-doped diamond layer). .
【０１３０】[0130]
【発明の効果】上述したように本発明によれば、ダイヤ
モンド半導体の特性に基づき、キャリア移動度が大き
く、誘電率が小さく、破壊電圧が大きいという特性を有
するのみならず、チャネル領域とゲート電極との間に介
在領域（ｐ型又はｎ型ドーパント含有ダイヤモンド層）
が設けられた構造に基づき、ゲート電極からのリーク電
流が小さく良好なトランジスタ特性を有する半導体素子
が得られる。As described above, according to the present invention, based on the characteristics of the diamond semiconductor, not only the carrier mobility is large, the dielectric constant is small, the breakdown voltage is large, but also the channel region and the gate electrode are not damaged. And an intervening region (a p-type or n-type dopant-containing diamond layer)
Is provided, a semiconductor element with small leakage current from the gate electrode and excellent transistor characteristics can be obtained.
【０１３１】上記構成を有する本発明の半導体素子によ
れば、更に、耐圧性が良好で、耐環境性（温度、出力
等）が高く、しかも周波数特性が良好という優れた特性
を得ることができる。According to the semiconductor device of the present invention having the above-described structure, excellent characteristics such as good withstand voltage, high environmental resistance (temperature, output, etc.), and good frequency characteristics can be obtained. .
【０１３２】また、本発明においては、上記介在領域の
形成は自己整合的に行うことが容易であるため、ドレイ
ン電極及びソース電極の位置に対して正確に対応した介
在領域を形成することができ、より良好な特性を有する
半導体素子を容易に作製することができる。Further, in the present invention, since the formation of the intervening region can be easily performed in a self-aligned manner, the intervening region can be formed accurately corresponding to the positions of the drain electrode and the source electrode. A semiconductor device having better characteristics can be easily manufactured.
【図１】本発明の半導体素子の一実施態様の構成を示す
模式断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of an embodiment of a semiconductor device of the present invention.
【図２】図１の半導体素子を製造するための工程の一例
を示す模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process for manufacturing the semiconductor device of FIG.
【図３】本発明の半導体素子の他の実施態様を示す模式
断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view showing another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
【図４】図３の半導体素子を製造するための工程の一例
を示す模式断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a process for manufacturing the semiconductor device of FIG.
【図５】本発明の半導体素子の更に他の実施態様を示す
模式断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view showing still another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
【図６】本発明の半導体素子の更に他の実施態様を示す
模式断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view showing still another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
【図７】実施例において作製した「比較試料」の構成を
示す模式断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a “comparative sample” manufactured in an example.
【図８】実施例で作製した本発明の半導体素子の構成を
示す模式断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of the present invention manufactured in an example.
【図９】実施例で作製した本発明の半導体素子の構成を
示す模式断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of the present invention manufactured in an example.
【図１０】実施例で作製した本発明の半導体素子の構成
を示す模式断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device of the present invention manufactured in an example.
１０１…絶縁性ダイヤモンド基板、１１０…ｐ型ダイヤ
モンド層、１１０ａ…低濃度ドープｐ型ダイヤモンド
層、１１１…高濃度ドープｐ型ダイヤモンド層、１２０
ａ…ドレイン電極、１２０ｂ…ソース電極、１３０…ゲ
ート電極、１４０…介在領域、１４０ａ…絶縁領域、１
４０ｂ…ｎ型ドーパント含有領域。101: insulating diamond substrate, 110: p-type diamond layer, 110a: low-concentration doped p-type diamond layer, 111: high-concentration doped p-type diamond layer, 120
a: drain electrode, 120b: source electrode, 130: gate electrode, 140: intervening region, 140a: insulating region, 1
40b: n-type dopant-containing region.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−29610（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−29609（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/337 H01L 29/786 H01L 29/808 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP 5-29610 (JP, A) JP 5-29609 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/337 H01L 29/786 H01L 29/808
Claims (20)
基板上に有し、前記ダイヤモンド層上にソース電極、ド
レイン電極およびゲート電極を有する半導体素子であっ
て、 前記ダイヤモンド層のうち前記ゲート電極との接触部近
傍には、少なくともｎ型ドーパントが含まれる 介在領域
が設けられていることを特徴とする半導体素子。 A diamond layer containing a p-type dopant is provided.
A source electrode and a source electrode on the diamond layer.
A semiconductor device having a rain electrode and a gate electrode.
Between the diamond layer and the contact portion with the gate electrode.
A semiconductor device, wherein an intervening region containing at least an n-type dopant is provided beside .
請求項１記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said p-type dopant is a boron atom.
求項１記載の半導体素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said n-type dopant is a nitrogen atom.
19ｃｍ-3未満の範囲で窒素原子を含むダイヤモンドから
なる請求項３記載の半導体素子。4. The method according to claim 1, wherein the intervening region is at least 10 15 cm −3.
4. The semiconductor device according to claim 3, comprising diamond containing nitrogen atoms in a range of less than 19 cm -3 .
-3以上含むダイヤモンドからなる請求項３記載の半導体
素子。5. The method according to claim 1, wherein the intervening region has a nitrogen atom of 10 19 cm.
4. The semiconductor device according to claim 3, comprising diamond containing at least -3 .
原子をドーパントとして含むダイヤモンドからなり、且
つ、窒素原子の濃度（ＣＮ）と、ボロン原子の濃度（Ｃ
Ｂ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にある請求項３
記載の半導体素子。6. The intervening region is made of diamond containing nitrogen and boron atoms as dopants, and has a nitrogen atom concentration (CN) and a boron atom concentration (C
B) is in the range of 100CB ≧ CN> CB.
The semiconductor element as described in the above.
有し、これらの電極の間のチャネル領域がｐ型ダイヤモ
ンドを主成分とし、且つ、該チャネル領域とゲート電極
との間に、少なくともｎ型ドーパントがドーピングされ
たダイヤモンドからなる介在領域が設けられている半導
体素子であって、 前記ｎ型ドーパントが窒素原子であり、 前記介在領域が、窒素原子およびボロン原子をドーパン
トとして含むダイヤモンドからなり、且つ、窒素原子の
濃度（ＣＮ）と、ボロン原子の濃度（ＣＢ）とが１００
ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にある半導体素子。 7. A source electrode and a drain electrode on a substrate.
And a channel region between these electrodes is a p-type diamond.
A channel region and a gate electrode
And at least an n-type dopant is doped
Semi-conductor with an intervening area made of broken diamond
Body element, wherein the n-type dopant is a nitrogen atom, and the intervening region is a nitrogen atom and a boron atom.
Made of diamond containing
The concentration (CN) and the concentration of boron atoms (CB) are 100
A semiconductor element in the range of CB ≧ CN> CB.
の濃度（ＣＢ）とが１０ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にある
請求項６または７記載の半導体素子。 8. The concentration of nitrogen atoms (CN) and boron atoms
Is within the range of 10CB ≧ CN> CB
The semiconductor device according to claim 6.
型ドーパントをイオン注入することにより形成される領
域である請求項１または７記載の半導体素子。 9. The method according to claim 9, wherein the intervening region is a p-type diamond with n
Region formed by ion implantation of type dopant
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a region.
を基板上に有し、前記ダイヤモンド層上にソース電極、
ドレイン電極およびゲート電極を有する半導体素子であ
って、 前記ダイヤモンド層は、前記ドレイン電極の側から、第
１のｐ型ドーパント含有層と第２のｐ型ドーパント含有
層とを有しており、 前記第１ｐ型ドーパント含有層は、前記第２ｐ型ドーパ
ント含有層よりも高濃度のｐ型ドーパントを含み、 前記第１ｐ型ドーパント含有層のうち前記ゲート電極と
の接触部近傍には、絶縁性の層が設けられ、 前記第２ｐ型ドーパント含有層のうち前記絶縁性の層の
下には、ｎ型ドーパントを含有する層が設けられている
ことを特徴とする半導体素子。10. A diamond layer containing a p-type dopant.
Having a source electrode on the diamond layer,
A semiconductor device having a drain electrode and a gate electrode.
Thus, the diamond layer is formed from the side of the drain electrode
One p-type dopant containing layer and a second p-type dopant containing
A first p-type dopant-containing layer , wherein the first p-type dopant-containing layer comprises a second p-type dopant.
The first p-type dopant-containing layer contains a higher concentration of a p-type dopant than the
An insulating layer is provided in the vicinity of the contact portion of the second p-type dopant-containing layer.
A semiconductor element in which a layer containing an n-type dopant is provided below.
ーパントとして窒素原子を１０ 15 ｃｍ -3 以上１０ 19 ｃｍ
-3 未満の範囲で含むダイヤモンドからなる請求項１０記
載の半導体素子。 11. An n-type dopant-containing layer, comprising :
-At least 10 15 cm -3 and 10 19 cm of nitrogen atoms as punts
11. The diamond according to claim 10, wherein the diamond contains less than -3.
Semiconductor device.
ーパントとして窒素原子を１０ 19 ｃｍ -3 以上含むダイヤ
モンドからなる請求項１０記載の半導体素子。 12. An n-type dopant-containing layer, comprising :
-Diamond containing more than 10 19 cm -3 nitrogen atoms as punt
The semiconductor device according to claim 10, wherein the semiconductor device is made of Mondo.
子およびボロン原子をドーパントとして含むダイヤモン
ドからなり、且つ、窒素原子の濃度（ＣＮ）と、ボロン
原子の濃度（ＣＢ）とが１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲
にある請求項１０記載の半導体素子。 13. The method according to claim 13, wherein the n-type dopant-containing layer is a nitrogen source.
Containing silicon and boron atoms as dopants
And the concentration of nitrogen atoms (CN) and boron
Atom concentration (CB) is in the range of 100 CB ≧ CN> CB
The semiconductor device according to claim 10, wherein
を有し、これらの電極の間のチャネル領域がｐ型ダイヤ
モンドを主成分とし、且つ、該チャネル領域とゲート電
極との間に、ゲート電極側から、絶縁性の層と、ｎ型ド
ーパントを含有する層とが設けられていることを特徴と
する半導体素子であって、 前記ドーパント含有層が、窒素原子およびボロン原子を
ドーパントとして含む ダイヤモンドからなり、且つ、窒
素原子の濃度（ＣＮ）と、ボロン原子の濃度（ＣＢ）と
が１００ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にある半導体素子。 14. A source electrode and a drain electrode on a substrate.
And a channel region between these electrodes is a p-type diamond
Mond as the main component, and the channel region and the gate electrode
An insulating layer and an n-type
-A layer containing a punt is provided.
A semiconductor element, said dopant-containing layer, a nitrogen atom and boron atom
Made of diamond containing as a dopant
The concentration of elemental atoms (CN) and the concentration of boron atoms (CB)
Is in the range of 100CB ≧ CN> CB.
子の濃度（ＣＢ）とが１０ＣＢ≧ＣＮ＞ＣＢの範囲にあ
る請求項１３または１４記載の半導体素子。 15. The boron atom concentration (CN) and boron
Concentration (CB) is in the range of 10CB ≧ CN> CB
The semiconductor device according to claim 13, wherein:
含有層が、ｐ型ダイヤモンドにｎ型ドーパントをイオン
注入することにより形成される層である請求項１０また
は１４記載の半導体素子。 16. The insulating layer and the n-type dopant
Containing layer ionizes p-type diamond with n-type dopant
11. A layer formed by implantation.
Is the semiconductor element of 14.
を有し、これらの電極の間のチャネル領域がｐ型ダイヤ
モンドを主成分とし、且つ、該チャネル領域とゲート電
極との間に、ｐ型ダイヤモンドへのイオン注入により形
成された絶縁性の領域が設けられていることを特徴とす
る半導体素子。 17. A semiconductor device comprising: a source electrode and a drain electrode on a substrate;
And a channel region between these electrodes is a p-type diamond
Mond as the main component, and the channel region and the gate electrode
Between the poles by ion implantation into p-type diamond
Characterized by the provision of a formed insulating region.
Semiconductor device.
として窒素原子を１０ 15 ｃｍ -3 以上１０ 19 ｃｍ -3 未満の
範囲で含むダイヤモンドからなる請求項１７記載の半導
体素子。 18. The method according to claim 18, wherein the insulating region is an n-type dopant.
Nitrogen atoms of 10 15 cm -3 or more and less than 10 19 cm -3
18. The semiconductor according to claim 17, wherein the semiconductor comprises a range of diamonds.
Body element.
として窒素原子を１０ 19 ｃｍ -3 以上含むダイヤモンドか
らなる請求項１７記載の半導体素子。 19. The method according to claim 19, wherein the insulating region is an n-type dopant.
Diamond containing at least 10 19 cm -3 nitrogen atoms
18. The semiconductor device according to claim 17, comprising:
ドへのｎ型ドーパント又はIV族元素のイオン注入により
形成された領域である請求項１７記載の半導体素子。 20. The semiconductor device according to claim 20, wherein the insulating region is a p-type diamond.
Ion implantation of n-type dopant or group IV element
The semiconductor device according to claim 17, wherein the semiconductor device is a formed region.
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